基于物联网技术的教学用智慧农业沙盘的设计*

张兴达

（山东商务职业学院 信息工程学院，山东 烟台 264000）

1 研究现状及意义

我国自古以来就是农业大国，但是体量、规模不代表质量、内涵。与部分发达国家相比，我国农业发展现代化水平相对较低，仍然以传统的耕种模式加少量机械辅助为主。基于当前发展现状，农业现代化的关键是农业科技现代化。要加强农业与科技融合，加强农业科技创新。因此，大力发展高自动化、信息化、现代化的智慧型农业势在必行。近年来，物联网技术作为实现行业领域信息现代化的有效工具被人们越来越多地提及和使用。在智慧农业的发展过程中，物联网技术同样有用武之地。

任何一个行业的现代化发展都离不开人才的支撑。当下，各高校广泛开设了物联网技术相关专业。但在物联网技术教学中的智慧农业应用领域，限于发展规模及教学成本，大部分院校专业仅以理论教学为主，辅以电脑模拟软件和简易开发板或实验箱，而相关项目化教学、实践教学开展受限，学生实践动手能力的提升受到极大地制约。基于以上困扰，沙盘作为一种传统的模型展示工具，焕发了新的生机。最初，沙盘多用于军事地形模拟，后多用于建筑、工业、生活、金融等领域的模型展示。现在，在教学领域，沙盘充分发挥出了其规模小、仿真度高、集成度高、研制可行性高的优点，为项目化教学、实践练习提供了优质的平台。

当前市场上，科大讯飞、北京启航科技、新大陆等物联网相关企业有部分智慧农业沙盘产品在售，但是价格相对较高，并且产品主要用于参观展示，不适用于一线教学。本文拟充分结合物联网相关专业课程授课需求，研究制作成本低、针对性强、技术先进的教学用智慧农业沙盘，实现对沙盘模拟农业环境中的温度、湿度、光照强度、烟雾浓度等信息进行实时采集、处理、控制等功能。

2 总体设计方案

基于物联网技术的教学用智慧农业沙盘整体上分为智慧农业系统设计、沙盘搭建、配套教学资源设计三部分。其中智慧农业系统的设计部分是核心。智慧农业系统从功能上主要分为三层，分别是用于收集环境信息的感知层，用于信息传递的传输层，用于信息分析、处理及应用的应用层。其中感知层主要包含多个、多类型传感器模块，用于收集、转换沙盘模拟的农业环境中的温度、湿度、光照强度、烟雾浓度数据信息；实时的数据信息通过传输层处理、转换，以有线或无线的形式传输到应用层数据处理中心以及相关数据存储单元；应用层通过对获取的实时环境数据进行计算、分析，得出当前农业环境运行状态，并给出相应的控制指令。智慧农业系统从结构上又可以分为硬件部分设计和软件部分设计。硬件部分主要包含协调器模块和用于各类数据采集的传感器模块；软件部分基于Z-Stack 协议栈，对应各硬件模块进行信息处理[1-2]。

3 硬件设计

3.1 协调器模块

基于教学需要，智慧农业系统选用TICC2530F256微处理器作为核心，并通过接口转换器与PC 进行串口通信。核心芯片电路、电源、天线、串口转换等关键电路及实物图如图1～图5所示[1，3]。

图1 核心芯片

图2 串口电路

图3 电源电路

图4 天线电路

图5 核心底板实物图

需要说明的是，图2 中，PL2303 是一种RS232-USB接口转换器。CC2530 的USART0 的发送引脚USART0_TX(P0.3)和接收引脚USART0_RX(P0.2)分别连接到开发板上PL2303 的接收引脚RXD 和发送引脚TXD。开发板再通过方口USB 数据连接线连接到PC 机，这样CC2530 和PC 机之间就能够进行串口通信。

3.2 数据采集模块

3.2.1 温度采集模块

选用DS18B20 作为沙盘模拟环境的温度采集传感器。DS18B20作为一款常见的数字型温度传感器，以其体积小、成本低、抗干扰能力强、精度高等特点，备受青睐。相关电路设计及实物图如图6、图7所示。

图6 温度采集电路图

图7 温度采集实物图

DS18B20 工作电路较为简单，VCC 和GND 端口分别连接3.3 V 电源和接地端，通过DQ 端口一根线即可实现传感器与处理器之间的双向通信。封装好的传感器内部配置有存储器、寄存器、64 位光刻ROM 内部寄生电源等器件，温度测量范围约为-55～+125 ℃。

3.2.2 湿度采集模块

选用DHT11 温湿度传感器作为湿度信息采集元件。DHT11 温湿度传感器可靠性高、稳定性持久、抗干扰能力强、性价比高、市场应用广泛，适合用于本教学沙盘的设计。相关电路及实物图如图8、图9所示。

DHT11 工作电路也较为简单，VCC 及GND 分别接3.3 V 电源和接地端，NC 端口悬空，DQ 实现单总线，串行通信，接合适大小的上拉电阻。湿度测量范围约为20%～90%RH，精度±5% RH。

图8 湿度采集电路图

图9 湿度采集实物图

3.2.3 光照强度采集模块

选用LXD5516作为环境光强度传感器。该型号光强传感器测量范围宽、线形度好、信号稳定、精度高、防水性能好，适用于本项目。相关电路及实物图如图10、图11所示。

图10 光强采集电路图

图11 光强采集实物图

图8中，LM393 是一个比较器，其中，第2 个引脚IN1-设置光敏传感器的光敏感度，第3 个引脚IN1+采集检测到的光强度，第1 个引脚OUT1 是LM393 的输出引脚，它连接到处理器的P2.0 引脚。当光强不够时，R2 的阻值较大，IN1+的电位高于IN1-的电位，OUT1输出高电平，发光二极管D1亮；当光强足够时，R2的阻值较小，IN1+的电位低于IN1-的电位，OUT1 输出低电平，发光二极管D1 灭。通过检测P2.0引脚的输入电平的状态，即可判断光照强度。

3.2.4 烟雾浓度采集模块

选用MQ-2 烟雾传感器作为烟雾信息采集元件。该传感器灵敏度高、使用寿命长、成本低，适用于本项目。相关电路及实物图如图12、图13所示。

图12 烟雾采集电路图

图13 烟雾采集实物图

图10中，LM393 是一个比较器，工作原理与光照采集电路类似。当烟雾浓度不够大时，IN1+的电位低于IN1-的电位，OUT1输出低电平，发光二极管D1不亮；当烟雾浓度足够大时，IN1+的电位高于IN1-的电位，OUT1 输出高电平，发光二极管D1 亮。处理器P2.0 引脚的输入电平的状态，即可反映烟雾浓度。

4 软件设计

选用IAR 集成开发环境进行软件开发及调试，依托Z-Stack协议栈进行相应设计[1，4，5]。

4.1 协调器模块

如图14 所示，首先要完成自身硬件以及协议栈的初始化，然后组建网络，加入个模块，由于智慧农业系统的运行周期较长，因此在不必要时，要在低功耗模式下工作，有数据输入时，再进行相应处理。以串口通信部分为例，调试界面如图15所示。

图14 协调器模块流程图

图15 串口通信调试界面

4.2 数据采集模块

如图16 所示，数据采集各模块工作流程类似。在完成硬件和协议栈初始化之后，加入协调器网络，并启动定时功能，在低功耗模式下，当定时到达时，进行数据采集和输送。以温度采集模块为例，调试界面如图17所示。

图16 协调器模块流程图

图17 温度采集调试界面

5 沙盘布局设计

沙盘整体模拟场景参照农业大棚，基于实际需求布置各数据采集模块及处理单元，需要重点注意各元器件及线路的防水防潮，并预留进一步拓展的功能接口。示意图如图18所示。

图18 沙盘布局示意图

6 配套教学资源设计

作为教学用沙盘，配套教学资源必不可少。基于实际需求，本设计进行了教学资源建设，主要分为线上教学资源和线下教学资源。线上教学资源以微课为主，依托优慕课平台进行发布，并在沙盘各模块上配置教学资源二维码，方便学生随时观看学习；线下资源主要是详尽的安全、操作实训手册及相应教学设计[6]。

7 结语

以物联网技术为核心，设计构建了无线传感器网络，完成了相关软硬件的设计。通过软件模拟及初步的硬件调试，设计出的智慧农业沙盘系统能够稳定地运行。基于本设计为教学服务的特性，下一步将完善设备构架，进一步建设教学资源，在教学一线进行试用，进而全面推广。